一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构

本发明属于冰层热水钻具，特别是涉及到一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构。

背景技术：

1、热水钻是一种应用于南北极冰盖和冰川快速钻进的方法。现有的热水钻钻具主要是选用固定孔径的喷嘴喷射高温高压热水实现融冰钻进，热水射流会在孔底形成窄而深的先导孔，之后冷却后的热水沿钻具和钻孔环状间隙上返至地表，并在上返过程中进一步与孔壁冰层进行热交换直至温度降到冰点，从而使孔径逐步增大至最大直径。随后水中的热量继续散失到周围冰层中，水开始凝结成冰，进而形成缩径的现象。由于传统热水钻具的喷嘴是向下喷射热水的，因此在提钻过程中当孔径缩小到小于钻具直径后，喷嘴无法向上喷射热水进行扩孔，就存在无法将钻具提出地表并造成卡钻的风险。而一旦卡钻，再次打捞钻具将会耗费巨大的人力物力，并大大延长整个钻探周期的时长。为了防止这种情况出现，就需要在钻进过程中进行正常钻进→提钻扩孔→下钻的循环，这就极大地降低了钻进效率。

2、因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构用于解决目前常规的热水钻具无法根据孔径调节喷射水量、喷射位置及喷射角度，无法同时兼顾快速钻进和快速扩孔，钻进效率低的技术问题。

2、一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，包括上钻头体、第一连杆、滚轮、第二连杆、圆环型铰接座、弹簧、弹簧底座、侧喷嘴、转动喷头、连接软管、连接管、下钻头体、主喷嘴和中心管,

3、所述上钻头体、弹簧底座、连接管以及下钻头体顺次固定连接，组成一个整体，上钻头体、弹簧底座、连接管以及下钻头体的内部均设置有供中心管上下移动的通道；

4、所述第一连杆的上端与铰接座铰接；所述铰接座固定安装在上钻头体的上部；所述第二连杆的下端与圆环型铰接座铰接；所述滚轮位于第一连杆和第二连杆之间，并且滚轮的中心轴孔同时与第一连杆和第二连杆转动连接形成支臂结构，并且滚轮向上钻头体的外侧支出；

5、所述上钻头体的侧壁下段设置有凹槽，上钻头体的外部滑动套装有圆环型铰接座，上钻头体的内部与中心管滑动连接；所述圆环型铰接座通过螺栓ⅰ贯穿凹槽后与中心管固定连接，圆环型铰接座带动中心管在整体的内部通道中上下移动；所述中心管的内部沿中轴线加工有中心通道；所述中心通道的顶部开口与上钻头体的内部流道连通，中心通道的底部封闭，中心通道在靠近底部的侧壁开有多个通孔；

6、所述弹簧安装在圆环型铰接座与弹簧底座之间，并始终处于压缩状态；所述下钻头体内部加工有相互连通的水平流道与竖直流道，下钻头体内部还加工有空腔；所述水平流道与竖直流道外部的加工孔由螺栓封闭，水平流道还与下钻头体内部的通道连通；

7、所述转动喷头通过轴承安装于弹簧底座的侧面，转动喷头的侧部与中心管之间通过齿轮齿条啮合，在中心管上下移动的同时转动喷头随之转动相应角度，转动喷头的进水口位于轴承的中心处，转动喷头上设置有多个侧喷嘴，转动喷头内加工有连通进水口与侧喷嘴的流道；所述连接软管的一端贯穿连接管上设置的通孔后与空腔连接，连接软管的另一端通过动密封与转动喷头的进水口连接，进而保证连接软管不随转动喷头转动；所述主喷嘴安装在下钻头体的下部并且能够根据钻进需要更换不同规格。

8、所述上钻头体在其通道的顶部加工有一个起限位作用的台阶，在弹簧的作用下，中心管的上限位为中心管的顶部位于上钻头体内部空腔的台阶处；中心管的下限位为中心管底部与空腔底部平齐。

9、一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，包括以下三种工作状态：

10、工作状态一：弹簧始终处于被压缩的状态，中心管在非受力状态下始终处于上限位，此时第一连杆、滚轮和第二连杆组成的支臂结构向外支出，热水经过上钻头体的内部通道和中心管的中心通道，由中心管下部的通孔流出，后经下钻头体内部的竖直流道后由主喷嘴喷出，此时空腔内无水流；

11、工作状态二：所述第一连杆、滚轮和第二连杆组成的支臂结构受到挤压，则支臂结构和滚轮向内收缩，圆环型铰接座带动中心管向下移动，弹簧被进一步压缩，转动喷头在齿轮齿条作用下向上转动相应的角度，热水经由竖直流道从主喷嘴喷出，同时经由空腔从侧喷嘴喷出；

12、工作状态三：所述中心管底部与空腔底部平齐到达下限位，此时支臂结构和滚轮达到极限收缩状态，转动喷头朝向斜上方，中心管中的水全部经由空腔从侧喷嘴喷出。

13、所述主喷嘴为锥形喷嘴，喷出的射流形状为15°～30°圆锥，用于形成较大的初始孔径。

14、所述侧喷嘴为射流形状为扇形平面的喷嘴，侧喷嘴设置至少三个，用于使钻孔达到目标孔径。

15、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

16、本发明提供的一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构可在减小钻具尺寸的同时达到钻进要求的目标孔径，解决了现有的热水钻具无法同时兼顾快速钻进和快速扩孔的问题，极大地提高了钻进效率，同时也大大扩展了热水钻的可应用的地形条件范围。

17、本发明采用了非电气控制流道切换装置，结构简单，成本低，在更改上部机械接口后，即可与任何热水钻具相连，便于在高原冰川和极地内陆冰层钻探中推广使用。

18、本发明提供一种非电子信号反馈装置，可通过地表热水管路压力判断钻头的工作状态，并根据钻进目标孔径改变支臂结构长度，从而改变钻具的最大外径，进而达到获取目标孔径钻孔的目的。

技术特征：

1.一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，其特征是：包括上钻头体(1)、第一连杆(3)、滚轮(4)、第二连杆(5)、圆环型铰接座(6)、弹簧(7)、弹簧底座(8)、侧喷嘴(9)、转动喷头(10)、连接软管(11)、连接管(12)、下钻头体(13)、主喷嘴(14)和中心管(16),

2.根据权利要求1所述的一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，其特征是：所述上钻头体(1)在其通道的顶部加工有一个起限位作用的台阶，在弹簧(7)的作用下，中心管(16)的上限位为中心管(16)的顶部位于上钻头体(1)内部空腔的台阶处；中心管(16)的下限位为中心管(16)底部与空腔(19)底部平齐。

3.根据权利要求2所述的一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，其特征是：包括以下三种工作状态：

4.根据权利要求1所述的一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，其特征是：所述主喷嘴(14)为锥形喷嘴，喷出的射流形状为15°～30°圆锥，用于形成较大的初始孔径。

5.根据权利要求1所述的一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构，其特征是：所述侧喷嘴(9)为射流形状为扇形平面的喷嘴，侧喷嘴(9)设置至少三个，用于使钻孔达到目标孔径。

技术总结一种用于冰层热水钻进的孔径自适应喷射机构属于冰层热水钻具技术领域，包括上钻头体、第一连杆、滚轮、第二连杆、圆环型铰接座、弹簧、弹簧底座、侧喷嘴、转动喷头、连接软管、连接管、下钻头体、主喷嘴和中心管。本发明可在减小钻具尺寸的同时达到钻进要求的目标孔径，解决了现有的热水钻具无法同时兼顾快速钻进和快速扩孔的问题，极大地提高了钻进效率，同时也扩展了热水钻的可应用的地形条件范围。本发明可通过地表热水管路压力判断钻头的工作状态，并根据钻进目标孔径改变支臂结构长度，从而改变钻具的最大外径，进而达到获取目标孔径钻孔的目的。更改上部机械接口后，即可与任何热水钻具相连，便于在冰层钻探中推广使用。技术研发人员：孙友宏,邓志鹏,范晓鹏,达拉拉伊,宫达,杨一凡,刘西牧受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18